EP4201648A1 - Thermal process control - Google Patents
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- EP4201648A1 EP4201648A1 EP22216207.5A EP22216207A EP4201648A1 EP 4201648 A1 EP4201648 A1 EP 4201648A1 EP 22216207 A EP22216207 A EP 22216207A EP 4201648 A1 EP4201648 A1 EP 4201648A1
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Definitions
- the invention relates to a method for thermal process control with the features of the preamble of claim 1.
- at least one three-dimensional object is produced by means of additive manufacturing by discharging volume elements of a certain size per unit of time of at least one fluid solidifiable material with a certain temperature using at least one discharge nozzle of at least one discharge unit a device that can be controlled by the method for generating the three-dimensional object at discrete positions in a construction space according to a previously defined model of the three-dimensional object.
- the model is part of a computer-implemented machine code that defines the discrete positions of the volume elements to be extracted and boundary conditions for their extraction.
- the temperature of the volume element is calculated for each discrete position in three-dimensional space, taking into account the thermal energy that is introduced into the installation space or removed from it by at least one heat source and/or heat sink and is released through heat losses in the installation space. Furthermore, the invention relates to a device for carrying out the method for extracting volume elements at discrete positions in a construction space, according to a model of the three-dimensional object and according to claims 15 and a computer program product according to claim 16.
- From the DE 10 2016 120 998 A1 is a method for the simulation-based detection of thermally critical component areas in the additive manufacturing of a three-dimensional component from several component layers by multiple incremental, in particular layered, addition of powder, wire or strip-shaped, in particular metallic, component starting material and, in particular incremental, shaping hardening by respective selective Melting and/or sintering of the starting material for the component is known by means of an amount of heat introduced locally by at least one energy source.
- the method includes a simulation-based calculation of the values of the local heat dissipation capability in component layers of the manufactured component and identification of thermally critical component areas using the simulation-based calculated values of the local heat dissipation capabilities or using a function thereof.
- corresponding methods for component-specific local adaptation, in particular control or regulation, of local heat generation in the additive manufacturing of a three-dimensional component are known from this.
- the DE 10 2017 107 362 A1 describes a method for the additive manufacturing of a three-dimensional component from several component layers by multiple incremental, in particular layered, addition of powder, wire or strip-shaped, in particular metallic, component starting material and, in particular incremental, shaping consolidation by selective melting and/or sintering of the component starting material by means of an amount of heat introduced by at least one energy source, in particular locally, according to a scanning strategy.
- the trajectories of the heat input are designed on the basis of a local heat dissipation capability that is determined, in particular based on simulations.
- Also described therein is a method for calculating a scanning strategy for the purpose of corresponding control of a system for additive manufacturing of a three-dimensional component and a related system.
- From the DE 10 2017 107 364 A1 is a process for the additive manufacturing of a three-dimensional component from several component layers by multiple incremental, in particular layered, addition of powder, wire or strip-shaped, in particular metallic, component starting material and, in particular incremental, shaping consolidation of the component starting material by selective melting and/or sintering in each case known by means of an amount of heat introduced by at least one energy source, in particular locally, according to a scanning strategy.
- the method includes dividing each component layer into segments, with the division of a component layer into segments and/or the chronological order of the generation of individual segments and/or the layout of the scan vectors within a segment and/or the chronological order of the scan vectors within a segment upon generation of respective segmented component layers on the basis of a local heat dissipation capability determined, in particular based on simulation, or based on a function thereof in a respective component layer. Furthermore, a method for calculating the scanning strategy for the purpose of corresponding control of a system for the additive manufacturing of a three-dimensional component and a corresponding system are known from this.
- an additive manufacturing method that includes monitoring the temperature of a portion of a build plane during an additive manufacturing operation using a temperature sensor as a heat source traverses the portion of the build plane, detecting a peak temperature associated with one or more passes of the heat source through the portion of the assembly level, determining a limit temperature by reducing the peak temperature by a predetermined amount, determining a time interval in which the monitored temperature exceeds the limit temperature, identifying a change in manufacturing conditions that are likely to result in a manufacturing defect using of the time interval and changing a process parameter of the heat source in response to the change in manufacturing conditions.
- a 3D printing system is known in which the part quality of 3D printed parts should be better controlled.
- the temperature of an extruder filament is determined using a secondary heat source, with a z. B.
- Infrared heat source can be used to heat the 3D printer filament to the optimum temperature that enhances the welding of the filament to a substrate being printed on.
- Such an optimal temperature may be based in part on the temperature of the substrate.
- An intelligent controller can be used to receive temperature readings of the substrate and/or filament to then adjust the temperature of the heating source.
- the WO 2017/210490 A1 describes a method for printing at least a portion of a three-dimensional object, comprising receiving a model of the 3D object in a computer memory and dispensing at least one filament material onto a substrate, thereby depositing a first layer that forms a portion of the 3D object adjacent to the substrate corresponds. A second layer corresponding to at least another part of the 3D object can be subsequently deposited. At least a first energy beam from at least one energy source can be used to selectively melt at least a portion of the first layer and/or the second layer, thereby forming at least a portion of the 3D object.
- WO 2015/167896 A1 discloses an apparatus, system and method for 3D printing in which an interlayer bond in objects produced thereby is enhanced by one or more targeted heat sources that selectively preheat a portion of the existing object material before additional material is added to the object.
- 3D printing is also enhanced, optimized or calibrated by pre- or post-heating a target area.
- Targeted heat sources can be fixed, mobile, or a combination of these to apply heat to targeted areas.
- Such a heat source can be integrated into an existing 3D printer or integrated as an add-on to it.
- a controller of such a heat source can use 3D printer information, such as a current direction or a future print direction, to select one or more heat sources and perform other targeted heating operations, such as setting energy levels, aiming, moving, etc.
- the properties e.g. B.
- the strength of 3D printed objects with improved interlayer bonding can be many times better than the same object printed without improved interlayer bonding.
- the model used therein which is part of a machine code for controlling a device for the production of three-dimensional objects, takes into account the heat energies that are introduced into the construction space by at least one heat source and given off by heat losses in the construction space to calculate the local temperature of a discharged drop of material Plastic, in particular thermoplastic material.
- the thermal energy released into the installation space e.g. B. the heat transport to a carrier carrying the object to be produced or to neighboring plastic drops that have already been discharged, the thermal radiation into the installation space and the free convection in the installation space are taken into account.
- the U.S. 2018/314235 A1 discloses a system and method for optimizing toolpaths based on thermal/structural simulations of a part produced with a three-dimensional (3D) printer, and a non-transitory computer-readable medium encoded with executable instructions for performing the method.
- the system and method uses a Direct Energy Deposition (DED) 3D printing process in which a laser is used to melt a surface of an already discharged liquefiable and solidifiable material, with further liquefiable and solidifiable material being injected into the melted material powder form is introduced by means of a nozzle which is coupled to the laser.
- the temperature of the liquefiable and solidifiable material can be adjusted by adjusting the laser power, the travel distance of the nozzle with the laser (duration without laser effect), the duration of the laser effect and the width of the laser beam.
- the EP 3 960 332 A1 discloses an additive manufacturing method for generating a manufacturing condition for additive manufacturing of a metal structure, additive manufacturing support software that supports generation of a manufacturing condition for additive manufacturing of a metal structure running on a computer, and an additive manufacturing constraint support system , which supports a manufacturing condition for the additive manufacturing of a structure by a manufacturing device.
- the method and the system also works with a Direct Energy Deposition (DED) 3D printing process, in which a surface of an already discharged liquefiable and solidifiable material is melted using a laser, with the liquefiable and solidifiable material being poured into the molten material solidifiable material in powder form is introduced by means of a nozzle which is coupled to the laser.
- DED Direct Energy Deposition
- the temperature of the liquefiable and solidifiable material can be adjusted by adjusting the laser power, the traversing speed of the nozzle with the laser, the duration of the laser effect and a preheating temperature of the material that has already been discharged or a construction platform, which can be adjusted using additional heat sources.
- the two last-mentioned documents have in common that in the printing processes used therein, powdery, liquefiable and solidifiable material is discharged by means of a nozzle and is melted by means of a laser at the point of discharge on a construction platform or on previously discharged liquefiable and solidifiable material.
- powdery, liquefiable and solidifiable material is discharged by means of a nozzle and is melted by means of a laser at the point of discharge on a construction platform or on previously discharged liquefiable and solidifiable material.
- liquefiable and solidifiable material is melted in a discharge nozzle and discharged in liquid form.
- the invention is therefore based on the object of providing a method for thermal process control, the use of the method in a device and a device for carrying out the method for the above-mentioned purpose and a computer program product in which a computer-implemented model of at least one three-dimensional object is used which is suitable for adjusting local temperatures in order to realize homogeneous properties of a generated three-dimensional object with an optimal merging of the volume elements.
- a thermal process is carried out in the additive manufacturing of at least one three-dimensional object by discharging volume elements of a certain size per unit of time of at least one fluid solidifiable material with a certain temperature at discrete positions in a construction space according to a predetermined model of the three-dimensional object.
- the model is part of a computer-implemented machine code that defines the discrete positions of the volume elements to be discharged and boundary conditions for their discharge, with the temperature of the volume element being calculated for each discrete position in three-dimensional space and the heat energies generated by at least one heat source and at least one heat sink are introduced into the construction space or removed from the construction space and are given off by heat losses in the construction space, must be taken into account.
- additive manufacturing can be influenced by adapting the machine code in such a way that material-dependent upper temperature limits are never exceeded. This makes it possible to avoid melting or softening and/or deliquescence of material that has already been deposited and to ensure the dimensional stability of the three-dimensional object.
- the heat energies that enter the installation space from the at least one discharge nozzle of the at least one discharge unit and/or at least one heat source and heat sink arranged in the installation space on the at least one discharge nozzle are introduced and discharged and which act on the volume element, and the heat energies that enter the installation space from the volume element to at least directly adjacent volume elements and as thermal radiation and free convection to the environment are given, are taken into account.
- the thermal energies that are relevant for the calculation of the temperature of volume elements for each discrete position in three-dimensional space and that are generated by at least one heat source and at least a heat sink in and out of the installation space and are given off by heat losses in the installation space enter into a differential equation within the model of the three-dimensional object and/or the machine code, wherein parts of the differential equation can be linearized to solve them.
- the temperature of the volume element can also be recalculated for at least one of the directly adjacent discrete positions and/or for at least one other discrete position and, based on this, the machine code and/or the boundary conditions for temperature increase and temperature decrease are adjusted for at least this discrete position.
- the calculated temperature of any point on the surface that has already been discharged is above a defined temperature limit at a point in time
- a specific number of calculation steps can advantageously be carried out before this point in time, in order to make adjustments to the machine code and/or the boundary conditions for the temperature increase and temperature decrease at least in the newly calculated time interval. This allows the temperature distribution in the three-dimensional object to be adjusted at any time.
- a relative trajectory of the at least one discharge nozzle and possibly at least one additional heat source and heat sink arranged on the at least one discharge nozzle can be calculated from machine code commands with respect to the surface of a three-dimensional Article-carrying carrier, z. B. a construction table, and / or the object are determined.
- the method is preferably carried out with foresight, ie at least before the material is discharged for at least one volume element or also for parts of the three-dimensional object or the complete three-dimensional object. This is done by predictively calculating the temperature of the volume element for each discrete position and influencing the at least one heat source and the at least one heat sink by adapting the machine code and the boundary conditions for temperature increase and temperature decrease. As a result, before the volume elements are created, their influence on the production of the object can advantageously be taken into account and influenced in order to optimize the object.
- one or more thermal radiation sources such as e.g. B. infrared emitters and / or one or more non-thermal radiation sources such.
- B. infrared emitters e.g. B. infrared emitters
- non-thermal radiation sources such as laser, LED and / or gas discharge lamps can be used.
- an additional forced convection can be caused to reduce the temperature of the volume element at the discrete position.
- B. at least one fan and / or at least one controllable heat sink can be used optionally.
- At least two materials with different specifics can be used as fluid solidifiable materials for the purposeful adaptation of the properties of the three-dimensional object.
- the temperature of the volume element that requires the higher fusion temperature can be increased or reduced for its application, and/or when the installation space temperature is set to the higher of the two temperatures, the temperature of the volume element that requires the lower fusion temperature can be reduced or increased for its application
- steps can also be combined, i.e. a higher temperature with heating and/or a lower temperature with cooling can be applied to the possibly also neighboring volume elements. This also includes the possibility of subsequently increasing or reducing the temperatures at the discharge point after the volume element has been discharged.
- advantageous framework conditions can be created that also allow materials with different specifics to be reliably connected to one another or to unite.
- the necessary installation space temperature can not be realized, the temperature of the volume element can be increased to its order.
- the morphology development is influenced or specifically controlled, discharged volume elements can tempered after the filling line and/or contour line has been completely drawn out.
- the surface of a carrier carrying the three-dimensional object to be produced or of the three-dimensional object to be provided with volume elements can be heated/cooled not only during material discharge, but also without material discharge.
- the development of morphology can be favored by deliberately maintaining or increasing or decreasing the ambient temperature.
- the temperatures in the installation space and those of the carrier which can preferably be temperature-controlled, have an influence on the ambient temperature.
- Such a temperature-controlled builder can advantageously act as an extension of the installation space heating (same temperature settings), e.g. to ensure homogeneous temperature control of the three-dimensional object, e.g. by creating the same temperature conditions on all component sides. This helps to avoid tension and thus minimize distortion.
- a morphology development of the three-dimensional object can be determined on the basis of a temperature development by means of a simulation.
- the object is also achieved by a device for carrying out the method.
- the task is also solved by a computer program product.
- the computer program product is stored with a program code on a computer-readable medium for carrying out the method described above.
- the mechanical properties in extruding and melting 3D printing processes are determined by the material properties themselves, as well as the bond strength of the deposited volume elements of variable size (filaments, drops, etc.).
- the bonding strength is in turn determined by the bonding process between neighboring volume elements that takes place during 3D printing, and this depends on the thermal boundary conditions.
- the melting together of individual volume elements 110, 120 to form a material connection 150 depends on the interdiffusions and entanglements of polymer chains or molecular chains 130, 140 in the boundary layer of the binding partner.
- a prerequisite for the interdiffusion is a certain mobility of the molecular chains 130, 140, favored by a sufficiently high thermal level.
- the Figures 1a, 1b and 1c show this process for the connection of two volume elements 110, 120, which are drop-shaped here, to form a larger connected volume element 150, the connection 160 of the previously separated individual molecular chains 130, 140 in the form of an entanglement with one another being recognizable.
- not only drops but also strand-like filaments come into consideration as volume elements, since these are also volume elements discharged per unit of time.
- the contact temperature between the volume elements 120 or 150 that have already been produced and possibly already solidified on the three-dimensional object to be produced and/or the melt temperature of the volume element 110 to be newly deposited can influence the melting together of the volume elements 110 and 120 or 150 .
- An increase in the temperature of the melt also causes a reduction in viscosity, although lower viscosities are sometimes not possible without causing thermal damage to the material.
- the ambient temperature is usually achieved by forced convection of heated air, the increase in this is limited by the dimensional stability of the material in question.
- Examples are the processing of the material combination ABS and TPU.
- a construction space temperature of 100°C is recommended for ABS and 80°C for TPU. While one temperature is too high for one material and dimensional stability can no longer be guaranteed during the process, the other temperature is too low for the other material, so that sufficient material fusion cannot take place.
- the processing of material combinations whose melting points are far apart is therefore hardly possible.
- the necessary installation space temperature is over 200°C and is usually only technically feasible to a limited extent.
- the temperature development of the volume elements 110, 120 during the 3D printing process depends on other thermal conditions, such as the material properties and the process parameters, such as pressure, discharge speed, flow rate through the discharge nozzle, etc., but also the geometrical conditions of the three-dimensional objects to be manufactured 410 ( 4 ) away.
- the size of the volume elements 110, 120 also influences the course of the temperature via the ratio of surface area to volume: smaller volume elements 110, 120 cool down more quickly (with the same shape).
- volume elements 110, 120 are placed close together in time, the temperature level is high and merging is promoted. In the case of large object cross sections, many of the volume elements 120, 150 that have already been deposited have (almost) already cooled down to the installation space temperature and are in the region of the thermoelastic state, ie they may have already solidified. If a new volume element 110 is placed directly next to it, volume elements 120, 150 that have been cooled to the installation space temperature will be heated or melted due to the higher temperature level, but the volume elements 110 and 120 or 150 can no longer seamlessly melt together because the average temperature level is not sufficient.
- Fig. 1d shows this, with the two molecular chains 130, 140 of the two original volume elements 110, 120 not being connected or entangled with one another.
- connection 150 of the individual volume elements 110 and 120 or 150 with a connection or entanglement 160 of the originally separate molecular chains 130, 140 .
- model of the three-dimensional object that is as comprehensive as possible, with the aid of which the boundary conditions of the material discharge and the material connection of the original volume elements 110, 120 can be defined.
- the model can be based on an empirical, analytical or numerical approach.
- the temperature profile of the surface of the object over time at the point where the material is discharged can be modeled using a differential equation, for example.
- the solution depends both on the movement commands for the respective three-dimensional object to be produced and on the environmental conditions during the construction process.
- dQ German Q ⁇ the heat flow through the surface of the considered volume element 110. In the case considered here, this is made up of the heat losses through thermal conduction Q ⁇ W , convection Q ⁇ K and radiation Q ⁇ S .
- the discharge nozzle 210 is shown therein, which is shown on its own and/or in connection with at least one additional heat source, which is movably arranged on the discharge nozzle 210 .
- Several discharge nozzles 210 of one or more discharge units 630 ( 6 ), e.g. B. for the simultaneous discharge of a material or several materials with identical or different specifics are present.
- the discharge can also take place sequentially.
- volume elements of a certain size are discharged per unit of time. From the at least one discharge nozzle 210 of the at least one discharge unit 630 and/or the at least one additional heat source, the heat energy Q ⁇ HS 270 per time is transferred to the area A in the construction space 610 ( 6 ) brought in.
- Equation (1.4) is the formula for heat conduction in the stationary, one-dimensional case.
- the heat conduction depends on the thermal conductivity ⁇ and the temperature difference over the length l z and is only considered in the Z direction, i.e. not in the XY plane between the individual discharge points.
- Equation (1.5) describes natural convection. Air circulation in the construction space 610 generated by blowers can be neglected. Equation (1.6) describes the heat transfer by radiation according to the Stefan-Boltzmann law. It is assumed that the surfaces of the surroundings have a homogeneous temperature T ambient .
- Equation (1.7) together with the new parameters ⁇ > 0 and ⁇ > 0 describes a surface with temperature losses that are linear in temperature.
- the new parameters can be material and location dependent.
- the object surface temperatures can be calculated by modeling and modified by adjustments to the machine code that generates the three-dimensional object 410, which can also include the control of at least one heat source, at least one fan and/or at least one other controllable heat sink such that at the point in time when the material is discharged at the same location, these lie in a predetermined, material-dependent interval in order to realize homogeneous object properties with a sufficient merging of the volume elements 110, 120.
- a previously specified, material-dependent upper temperature limit is not exceeded at any time in order to avoid melting or softening and/or melting of material that has already been deposited and to ensure the dimensional stability of the three-dimensional object 410 .
- the temperature curve at location r i must therefore fulfill the following condition: T right i t i ⁇ T at least , at the time of discharge, Max t T right i t ⁇ T Max . for all time.
- t i is the point in time at which material is discharged at location r i .
- the temperatures T(r i ,t) can be determined by integrating equation (1.3).
- the initial temperature distribution of the surface at the beginning of the layer construction and the geometry-dependent heat loss coefficients, such as the model of the three-dimensional object in equations (1.4) - (1.6) or the model in (1.7), are used as parameters.
- the relative trajectory of the discharge nozzle 210 (and any additional heat sources present) with respect to the object surface can be determined from the instructions of the machine code.
- the additional heat source can be arranged on the discharge nozzle 210 and can be moved relative to it.
- the method is preferably carried out with foresight, ie at least before the material is discharged for at least one volume element 110 or also for parts of the or the complete three-dimensional object 410.
- This is done by predictively calculating the temperature of the volume element 110 for each discrete position and affecting the at least one heat source 640 and the at least one heat sink by adapting the machine code and the boundary conditions for temperature increase and temperature decrease.
- their influence on the production of the object 410 can advantageously be taken into account and influenced in order to optimize the object.
- This procedure which is shown in the flowchart of the 3 shown changes the machine code and thus the results of the temperature calculation T(r,t). It is therefore advantageous to determine the temperatures T(r,t) again on the basis of the adapted machine code in order to increase the accuracy of the method. The steps described above are repeated until conditions (1.9) and (1.10) are met.
- Block 310 describes the input data in the form of a 3D volume, for example an STL or the layer stacks that describe the 3D volume (for example CLI).
- An STL is a CAD data format that describes the outer geometry of the three-dimensional object (visible contour of the 3D volume) and a CLI is a CAD data format that describes a layer stack of contour lines of the 3D volume.
- a the corresponding machine code is created, which, in addition to the individual geometric positions in three-dimensional space, also contains the other boundary conditions for the drawing of the respective volume element 110. These boundary conditions correspond to the measures specified above.
- the initial temperature field (installation space temperature or temperature of the object) is also included in block 330 when each volume element 110 is discharged.
- block 350 checks whether the above conditions (1.9, 1.10) are met. In the positive case, the machine code can then be output in block 370. In the negative case, the machine code must be modified, and it can also be expanded. The rest of the sequence is then again identical to the blocks following block 320.
- the calculations of the method are preferably carried out offline, i. H. before actually creating the 3D object. However, they can also be carried out online. A criterion for this can B. the available computing power. A numerical model approach is preferably used for the necessary calculations, but an empirical or analytical approach can also be used.
- Figures 4 and 5 illustrate the distinction between fill lines 510 and contours 530 of the three-dimensional object, wherein in figure 5 the interconnected volume elements 130 of the outer contours 530 and inner filling lines 510 are shown and a possible discharge order and discharge direction 520 of the volume elements 110, 120 are illustrated schematically using the dashed arrow.
- At least one three-dimensional object 410 is produced by means of additive manufacturing by discharging volume elements 110 of a specific size per unit of time, preferably by sequential discharging, of at least one fluid solidifiable material at a specific temperature using at least one discharge nozzle 210 Discharge unit 630 according to a device controllable by the method Figures 6, 7 for generating the three-dimensional object 410 at discrete positions in a construction space 610 according to a predetermined model of the three-dimensional object 410.
- drops and strands come into consideration as volume elements, since in both cases volume elements of a certain size are discharged per unit of time.
- the model is part of a computer-implemented machine code that defines the discrete positions of the volume elements 110 to be extracted and boundary conditions for their extraction. For each discrete position in three-dimensional space, the temperature of the volume element 110 is calculated and the thermal energies generated by at least one heat source 640 and at least one heat sink 650 according to FIG 7 introduced into or removed from the construction space 610 and discharged through heat losses in the construction space 610. Such heat losses can, for example, also be heat losses to neighboring volume elements. Likewise, adjacent volume elements and, for example, the discharge nozzle can be possible sources of heat. There can be one or more discharge units 630 each with one or more discharge nozzles.
- the above steps of the method can, for. B. only for the currently to be discharged volume element 110 and an adjacent volume element 120 or for several preferably discrete neighboring volume elements 110, 120 are executed in the X, Y or Z direction, so that it is executed for only one row, several rows, one layer, several layers or the complete object 410, for example. If necessary, this can also be done in advance for one or more volume elements 110, 120 or also for a part or the complete model of the three-dimensional object.
- material-dependent upper temperature limits are not exceeded at any time in order to avoid melting or softening and/or deliquescence of material that has already been deposited and to ensure the dimensional stability of the three-dimensional object
- the material-specific interval can be defined, for example, in that a complete merging of the current volume element 110 with neighboring volume elements 120, 150 can take place within this interval.
- the material-specific upper temperature limit can be defined, for example, by the fact that the dimensional stability of the volume elements is guaranteed below this upper temperature limit.
- the thermal energies that are relevant for the calculation of the temperature of volume elements 110 for each discrete position in three-dimensional space and that are generated by at least one heat source and at least a heat sink in and out of the construction space 610 and discharged through heat losses in the construction space 610 enter into a differential equation within the model of the three-dimensional object and the machine code, wherein parts of the differential equation can be linearized to solve them.
- the temperature of the volume element 120 can also be recalculated for at least one of the directly adjacent discrete positions and, based on this, the machine code and/or the possibly associated boundary conditions for the temperature increase and temperature reduction for at least this discrete position.
- the temperatures of the volume elements 120 can also be recalculated for all other discrete positions and, based on this, the machine code and/or the possibly associated boundary conditions for the temperature increase and temperature reduction can be adapted for these discrete positions.
- a relative trajectory of the at least one discharge nozzle 210 and, if applicable, at least one additional heat source arranged on the at least one discharge nozzle and at least one heat sink with respect to the surface of a den carrier 620 carrying the three-dimensional object 410 to be produced and/or the object 410 are determined.
- the carrier 620 can also be temperature-controlled.
- one or more thermal radiation sources such as e.g. B. infrared emitters and / or one or more non-thermal radiation sources such.
- B. infrared emitters e.g. B. infrared emitters
- non-thermal radiation sources such as laser, LED and / or gas discharge lamps can be used. Since these can be arranged movably and independently of one another on the respective discharge nozzle, specific volume elements can be additionally heated in a targeted manner, e.g. the current volume element 110 and/or also neighboring volume elements 120.
- the choice of the radiation source can depend on the absorption spectrum of the plastic used judge.
- an additional forced convection can be caused to reduce the temperature of the volume element 110 at the discrete position.
- at least one fan and / or at least one controllable heat sink can be used optionally.
- At least two materials with different specifics can be used as fluid solidifiable materials for the purposeful adjustment of the properties of the three-dimensional object.
- the temperature of the volume element can be increased when the installation space temperature is set to the lower of the two temperatures 110, which requires the higher fusion temperature, is increased or reduced for its application, and/or when the installation space temperature is set to the higher of the two temperatures, the temperature of the volume element 110, which requires the lower fusion temperature, is reduced or increased for its application.
- steps can also be combined, i.e. a higher temperature with heating and/or a lower temperature with cooling can also be applied to neighboring volume elements. If necessary, the temperature at the discharge point can also be subsequently increased or reduced after the discharge.
- advantageous framework conditions can be created that also allow materials with different specifics to be reliably combined with one another to connect or unite.
- the necessary space temperature can not be realized, the temperature of the volume element 110 can be increased to its order.
- the morphology development is influenced or specifically controlled, the volume elements 120 or 150 discharged to form a filling line and/or contour line can be heated/cooled after the filling line and/or contour line has been completely discharged. In this way, for example, stresses in the three-dimensional object can also be avoided, since large temperature differences in the object can be avoided.
- a temperature-controlled building carrier 620 can act like an extension of the installation space heating (same temperature settings), e.g. to ensure homogeneous temperature control of the three-dimensional object 410 by e.g. creating the same temperature conditions on all component sides. This helps to avoid tension and thus minimize distortion.
- a morphology development of the object 410 based on a temperature development can be determined by means of a simulation.
- the development of morphology can be favored by deliberately maintaining or increasing or decreasing the ambient temperature.
- the temperatures in the construction space 610 and those of the preferably temperature-controlled carrier 620 have an influence on the ambient temperature.
- the method according to one of its embodiments can be used to produce a three-dimensional object 410 by means of additive manufacturing by discharging volume elements 110, 120 of a certain size per unit of time at least one fluid solidifiable material with a certain temperature at discrete positions in three-dimensional space in a device controllable by the method with at least one discharge nozzle 210 at least one discharge unit 630 can be used, whereby volume elements 110 are discharged in a construction space corresponding to a model of the three-dimensional object 410.
- the method according to one of its embodiments can also be used in a device with at least one discharge nozzle 210 at least one discharge unit 630 for producing a three-dimensional object 410 by means of additive manufacturing by discharging volume elements 110, 120 of a specific size per unit of time, preferably by sequential discharging, of at least one fluid solidifiable Material are performed with a certain temperature at discrete positions in three-dimensional space, which discharges volume elements 110 in a construction space corresponding to the model of the three-dimensional object 410 .
- the device has at least one heat source and at least one heat sink, which in turn can preferably be arranged in the area of the discharge nozzle.
- a further exemplary embodiment is a computer program product with a program code, which is stored on a computer-readable medium, for carrying out at least one of the methods described above while achieving the advantages mentioned.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Prozessführung, mit Hilfe dessen dreidimensionale Gegenstände (410) mittels additiver Fertigung durch Austragen von Volumenelementen bestimmter Größe mindestens eines fluiden verfestigbaren Materials mit einer bestimmten Temperatur mittels mindestens einer Austragsdüse mindestens einer Austragseinheit (630) einer durch das Verfahren steuerbaren Vorrichtung zur Erzeugung des dreidimensionalen Gegenstands (410) an diskreten Positionen in einem Bauraum (610) nach einem vorher festgelegten Modell des Gegenstands (410) erzeugbar sind. Das Modell ist Teil eines computerimplementierten Maschinencodes und beinhaltet ein der Realität nahekommendes Modell, welches geeignet ist, lokale Temperaturen anzupassen, um homogene Eigenschaften des Gegenstands (410) mit einer optimalen Verschmelzung der Volumenelemente zu realisieren, wobei zu keinem Zeitpunkt vorher festgelegte, materialabhängige Temperaturobergrenzen überschritten werden, um ein Aufschmelzen bzw. Aufweichen und/oder Zerfließen von bereits abgelegtem Material zu vermeiden und die Formstabilität des Gegenstands (410) zu gewährleisten.The invention relates to a method for thermal process control, with the aid of which three-dimensional objects (410) are produced by means of additive manufacturing by discharging volume elements of a certain size of at least one fluid solidifiable material at a certain temperature using at least one discharge nozzle of at least one discharge unit (630) of a process controllable Device for generating the three-dimensional object (410) at discrete positions in a space (610) according to a predetermined model of the object (410) can be generated. The model is part of a computer-implemented machine code and includes a close-to-reality model capable of adjusting local temperatures in order to realize homogeneous properties of the object (410) with an optimal fusion of the volume elements, never exceeding predetermined, material-dependent upper temperature limits in order to avoid melting or softening and/or deliquescence of material that has already been deposited and to ensure the dimensional stability of the object (410).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Prozessführung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1. Verfahrensgemäß ist wenigstens ein dreidimensionaler Gegenstand mittels additiver Fertigung durch Austragen von Volumenelementen bestimmter Größe pro Zeiteinheit mindestens eines fluiden verfestigbaren Materials mit einer bestimmten Temperatur mittels mindestens einer Austragsdüse mindestens einer Austragseinheit einer durch das Verfahren steuerbaren Vorrichtung zur Erzeugung des dreidimensionalen Gegenstands an diskreten Positionen in einem Bauraum nach einem vorher festgelegten Modell des dreidimensionalen Gegenstands erzeugbar. Das Modell ist Teil eines computerimplementierten Maschinencodes, der die diskreten Positionen der auszutragenden Volumenelemente und Randbedingungen für deren Austrag definiert. Dabei wird für jede diskrete Position im dreidimensionalen Raum die Temperatur des Volumenelements berechnet und dabei die Wärmeenergien berücksichtigt, die durch mindestens eine Wärmequelle und/oder Wärmesenke in den Bauraum eingebracht bzw. aus diesem abgeführt werden und durch Wärmeverluste im Bauraum abgegeben werden. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens zum Austragen von Volumenelementen an diskreten Positionen in einem Bauraum, entsprechend eines Modells des dreidimensionalen Gegenstands und entsprechend den Ansprüchen 15 sowie ein Computerprogrammprodukt nach Anspruch 16.The invention relates to a method for thermal process control with the features of the preamble of
Aus der
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Die oben genannten vier Dokumente beschäftigen sich alle vornehmlich mit der Berechnung einer simulationsbasiert ermittelten lokalen Wärmeableitungsfähigkeit bei der Erzeugung eines dreidimensionalen Gegenstands mittels additiver Herstellungsverfahren, wobei jedoch nur Teile eines der Realität nahekommenden Wärmeenergiemodells betrachtet und zur Steuerung eines optimierten Herstellungsprozesses, insbesondere in Hinsicht auf optimale lokale Temperaturen beim Austragen der verfestigbaren Materialien, verwendet werden.The four documents mentioned above all deal primarily with the calculation of a simulation-based determined local heat dissipation capability when creating a three-dimensional object using additive manufacturing processes, although only parts of a heat energy model that comes close to reality are considered and for controlling an optimized manufacturing process, especially with regard to optimal local heat dissipation Temperatures when discharging the solidifiable materials are used.
Aus der
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Die
Aus der
Die oben zuletzt genannten vier Dokumente beschäftigen sich alle vornehmlich mit einer verbesserten Erzeugung eines dreidimensionalen Gegenstands mittels additiver Herstellungsverfahren unter Verwendung zusätzlicher Wärmequellen, wobei jedoch im Wesentlichen keine Simulation, insbesondere unter Verwendung eines der Realität nahekommenden Wärmeenergiemodells zur Steuerung eines optimierten Herstellungsprozesses, insbesondere in Hinsicht auf optimale lokale Temperaturen beim Austragen der verfestigbaren Materialien, verwendet wird.The last four documents mentioned above all deal primarily with an improved generation of a three-dimensional object by means of additive manufacturing processes using additional heat sources, but essentially no simulation, in particular using a heat energy model that comes close to reality to control an optimized manufacturing process, in particular with regard to optimum local temperatures when discharging the solidifiable materials.
Im Artikel "
Die
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Den beiden letztgenannten Dokumenten ist gemeinsam, dass in den darin verwendeten Druckprozessen mittels einer Düse pulverförmiges, verflüssigbares und verfestigbares Material ausgetragen wird und an der Stelle des Austrags auf einer Bauplattform oder auf bereits vorher ausgetragenem verflüssigbarem und verfestigbarem Material mittels eines Lasers aufgeschmolzen wird. In der hier beschriebenen Erfindung wird abweichend davon verflüssigbares und verfestigbares Material in einer Austragsdüse aufgeschmolzen und in liquider Form ausgetragen.The two last-mentioned documents have in common that in the printing processes used therein, powdery, liquefiable and solidifiable material is discharged by means of a nozzle and is melted by means of a laser at the point of discharge on a construction platform or on previously discharged liquefiable and solidifiable material. In the invention described here, in contrast to this, liquefiable and solidifiable material is melted in a discharge nozzle and discharged in liquid form.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur thermischen Prozessführung, die Verwendung des Verfahrens in einer Vorrichtung und eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens für den oben genannten Zweck sowie ein Computerprogrammprodukt bereit zu stellen, bei denen ein computerimplementiertes Modell wenigstens eines dreidimensionalen Gegenstands verwendet wird, welches geeignet ist, lokale Temperaturen anzupassen, um homogene Eigenschaften eines erzeugten dreidimensionalen Gegenstands mit einer optimalen Verschmelzung der Volumenelemente zu realisieren.The invention is therefore based on the object of providing a method for thermal process control, the use of the method in a device and a device for carrying out the method for the above-mentioned purpose and a computer program product in which a computer-implemented model of at least one three-dimensional object is used which is suitable for adjusting local temperatures in order to realize homogeneous properties of a generated three-dimensional object with an optimal merging of the volume elements.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, einer Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens gemäß den Merkmalen des Anspruch 15 sowie durch ein Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 16 gelöst. Dabei werden vorteilhaft zu keinem Zeitpunkt vorher festgelegte, materialabhängige Temperaturobergrenzen überschritten, um ein Aufschmelzen bzw. Aufweichen und/oder Zerfließen von bereits abgelegtem Material zu vermeiden und die Formstabilität des dreidimensionalen Gegenstands zu gewährleisten.This object is achieved with a method according to the features of
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und durch Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.Advantageous developments are the subject matter of the dependent patent claims. The features listed individually in the patent claims can be combined with one another in a technologically meaningful manner and can be supplemented by explanatory facts from the description and by details from the figures, with further embodiment variants of the invention being shown.
Verfahrensgemäß erfolgt eine thermische Prozessführung bei der additiven Fertigung wenigstens eines dreidimensionalen Gegenstands durch Austragen von Volumenelementen bestimmter Größe pro Zeiteinheit mindestens eines fluiden verfestigbaren Materials mit einer bestimmten Temperatur an diskreten Positionen in einem Bauraum nach einem vorher festgelegten Modell des dreidimensionalen Gegenstands. Das Modell ist Teil eines computerimplementierten Maschinencodes, der die diskreten Positionen der auszutragenden Volumenelementen und Randbedingungen für deren Austrag definiert, wobei für jede diskrete Position im dreidimensionalen Raum die Temperatur des Volumenelements berechnet wird und dabei die Wärmeenergien, die durch mindestens eine Wärmequelle und mindestens eine Wärmesenke in den Bauraum eingebracht bzw. aus dem Bauraum abgeführt werden und durch Wärmeverluste im Bauraum abgegeben werden, berücksichtigt werden. Indem die Temperatur zum Zeitpunkt des Austrags und nach dem Austrag Eingang in die Berechnung finden, lässt sich die additive Fertigung durch Anpassung des Maschinencodes so beeinflussen, dass zu keinem Zeitpunkt materialabhängige Temperaturobergrenzen überschritten werden. Dadurch lässt sich ein Aufschmelzen bzw. Aufweichen und/oder Zerfließen von bereits abgelegtem Material vermeiden und die Formstabilität des dreidimensionalen Gegenstands gewährleisten.According to the method, a thermal process is carried out in the additive manufacturing of at least one three-dimensional object by discharging volume elements of a certain size per unit of time of at least one fluid solidifiable material with a certain temperature at discrete positions in a construction space according to a predetermined model of the three-dimensional object. The model is part of a computer-implemented machine code that defines the discrete positions of the volume elements to be discharged and boundary conditions for their discharge, with the temperature of the volume element being calculated for each discrete position in three-dimensional space and the heat energies generated by at least one heat source and at least one heat sink are introduced into the construction space or removed from the construction space and are given off by heat losses in the construction space, must be taken into account. Since the temperature at the time of discharge and after discharge is included in the calculation, additive manufacturing can be influenced by adapting the machine code in such a way that material-dependent upper temperature limits are never exceeded. This makes it possible to avoid melting or softening and/or deliquescence of material that has already been deposited and to ensure the dimensional stability of the three-dimensional object.
In einer ersten vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens, welche die Genauigkeit der lokalen Temperaturberechnung erhöht, können für jede diskrete Position im dreidimensionalen Raum zum Berechnen der Temperatur des Volumenelements, die Wärmeenergien, die in den Bauraum von der mindestens einen Austragsdüse der mindestens einen Austragseinheit und/oder je mindestens einer im Bauraum an der mindestens einen Austragsdüse angeordneten Wärmequelle und Wärmesenke ein- und ausgetragen werden und die auf das Volumenelement einwirken, und die Wärmeenergien, die in den Bauraum von dem Volumenelement an mindestens direkt benachbarte Volumenelemente sowie als Wärmestrahlung und freie Konvektion an die Umgebung abgegeben werden, berücksichtigt werden.In a first advantageous embodiment of the method, which increases the accuracy of the local temperature calculation, for each discrete position in three-dimensional space for calculating the temperature of the volume element, the heat energies that enter the installation space from the at least one discharge nozzle of the at least one discharge unit and/or at least one heat source and heat sink arranged in the installation space on the at least one discharge nozzle are introduced and discharged and which act on the volume element, and the heat energies that enter the installation space from the volume element to at least directly adjacent volume elements and as thermal radiation and free convection to the environment are given, are taken into account.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens, welche die Genauigkeit der lokalen Temperaturberechnung erhöht bei gleichzeitiger Reduzierung des Rechenaufwands, können die Wärmeenergien, die für die Berechnung der Temperatur von Volumenelementen für jede diskrete Position im dreidimensionalen Raum relevant sind und die durch mindestens eine Wärmequelle und mindestens eine Wärmesenke in den Bauraum ein- und ausgetragen werden und durch Wärmeverluste im Bauraum abgegeben werden, in eine Differentialgleichung innerhalb des Modells des dreidimensionalen Gegenstands und/oder des Maschinencodes eingehen, wobei zu deren Lösung Teile der Differentialgleichung linearisiert werden können.In a further advantageous embodiment of the method, which increases the accuracy of the local temperature calculation while at the same time reducing the computational effort, the thermal energies that are relevant for the calculation of the temperature of volume elements for each discrete position in three-dimensional space and that are generated by at least one heat source and at least a heat sink in and out of the installation space and are given off by heat losses in the installation space, enter into a differential equation within the model of the three-dimensional object and/or the machine code, wherein parts of the differential equation can be linearized to solve them.
In einer zusätzlichen vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens, welche die Temperaturverteilung im dreidimensionalen Gegenstand weiter optimiert, kann zusätzlich für mindestens eine der direkt benachbarten diskreten Positionen und/oder für wenigsten eine andere diskrete Position die Temperatur des Volumenelements neu berechnet und basierend darauf der Maschinencode und/oder die Randbedingungen zur Temperaturerhöhung und Temperaturverminderung für mindestens diese diskrete Position angepasst werden.In an additional advantageous embodiment of the method, which further optimizes the temperature distribution in the three-dimensional object, the temperature of the volume element can also be recalculated for at least one of the directly adjacent discrete positions and/or for at least one other discrete position and, based on this, the machine code and/or the boundary conditions for temperature increase and temperature decrease are adjusted for at least this discrete position.
Sollte in einer bevorzugten Ausgestaltung die berechnete Temperatur eines beliebigen Punktes auf der bereits ausgetragenen Oberfläche zu einem Zeitpunkt oberhalb einer definierten Temperaturgrenze liegen, kann vorteilhaft eine bestimmte Anzahl an Berechnungsschritten vor diesem Zeitpunkt zurückgegangen werden, um Anpassungen des Maschinencodes und/oder der Randbedingungen zur Temperaturerhöhung und Temperaturverminderung mindestens in dem neu berechneten Zeitintervall vorzunehmen. Dadurch lässt sich gezielt zu jedem Zeitpunkt die Temperaturverteilung im dreidimensionalen Gegenstand anpassen.If, in a preferred embodiment, the calculated temperature of any point on the surface that has already been discharged is above a defined temperature limit at a point in time, a specific number of calculation steps can advantageously be carried out before this point in time, in order to make adjustments to the machine code and/or the boundary conditions for the temperature increase and temperature decrease at least in the newly calculated time interval. This allows the temperature distribution in the three-dimensional object to be adjusted at any time.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens, welche die Genauigkeit der lokalen Temperaturberechnung erhöht, kann aus Befehlen des Maschinencodes eine relative Trajektorie der mindestens einen Austragsdüse und ggf. wenigstens einer zusätzlich an der mindestens einen Austragsdüse angeordneten Wärmequelle und Wärmesenke bezüglich der Oberfläche eines den herzustellenden dreidimensionalen Gegenstand tragenden Trägers, z. B. eines Bautischs, und/oder des Gegenstands bestimmt werden.In another advantageous embodiment of the method, which increases the accuracy of the local temperature calculation, a relative trajectory of the at least one discharge nozzle and possibly at least one additional heat source and heat sink arranged on the at least one discharge nozzle can be calculated from machine code commands with respect to the surface of a three-dimensional Article-carrying carrier, z. B. a construction table, and / or the object are determined.
Vorzugsweise wird das Verfahren vorausschauend durchgeführt, also wenigstens vor Austragen des Materials für wenigstens ein Volumenelement oder auch für Teile des oder den vollständigen dreidimensionalen Gegenstand. Dies geschieht durch vorausschauendes Berechnen der Temperatur des Volumenelements für jede diskrete Position und Beeinflussen der mindestens einen Wärmequelle und der mindestens einen Wärmesenke, indem der Maschinencode und die Randbedingungen zur Temperaturerhöhung und Temperaturverminderung angepasst werden. Dadurch kann vorteilhaft, bevor die Volumenelemente entstehen, deren Einfluss auf die Herstellung des Gegenstands berücksichtigt und zur Optimierung des Gegenstands beeinflusst werden.The method is preferably carried out with foresight, ie at least before the material is discharged for at least one volume element or also for parts of the three-dimensional object or the complete three-dimensional object. This is done by predictively calculating the temperature of the volume element for each discrete position and influencing the at least one heat source and the at least one heat sink by adapting the machine code and the boundary conditions for temperature increase and temperature decrease. As a result, before the volume elements are created, their influence on the production of the object can advantageously be taken into account and influenced in order to optimize the object.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens, die Alternativen für die Anpassung der lokalen Temperaturen bereitstellt, kann das Anpassen der Randbedingungen mittels mindestens einer oder einer Kombination der folgenden Maßnahmen umfassen:
- das Verändern der Prozessgeschwindigkeit,
- das Steuern der abgestrahlten Leistung der mindestes einen Wärmequelle,
- das Steuern der mindestens einen Wärmesenke,
- das Einfügen von zusätzlichen Verfahrbefehlen oder auch Wartebefehlen,
- das Verändern der Reihenfolge der diskreten Positionen, an denen nacheinander Volumenelemente ausgetragen werden,
- das Verändern der Beschaffenheit von Fülllinien und/oder Konturlinien.
- changing the process speed,
- controlling the radiated power of the at least one heat source,
- controlling the at least one heat sink,
- the insertion of additional movement commands or waiting commands,
- changing the order of the discrete positions at which volume elements are successively discharged,
- changing the nature of fill lines and/or contour lines.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens können variabel in Abhängigkeit von dem Absorptionsspektrum des verwendeten Materials als Wärmequellen zur Temperaturerhöhung des Volumenelements an der diskreten Position eine oder mehrere thermische Strahlungsquellen, wie z. B. Infrarot-Strahler und/oder eine oder mehrere nichtthermische Strahlungsquellen, wie z. B. Laser, LED und/oder Gasentladungslampen eingesetzt werden.In an advantageous embodiment of the method, depending on the absorption spectrum of the material used, one or more thermal radiation sources, such as e.g. B. infrared emitters and / or one or more non-thermal radiation sources such. As laser, LED and / or gas discharge lamps can be used.
In einer nächsten vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens kann zur Temperaturverminderung des Volumenelements an der diskreten Position eine zusätzliche erzwungene Konvektion hervorgerufen werden, zu deren Erzeugung z. B. mindestens ein Lüfter und/oder mindestens eine steuerbare Wärmesenke wahlweise verwendet werden kann.In a next advantageous embodiment of the method, an additional forced convection can be caused to reduce the temperature of the volume element at the discrete position. B. at least one fan and / or at least one controllable heat sink can be used optionally.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens können zur gezielten Anpassung der Eigenschaften des dreidimensionalen Gegenstands mindestens zwei Materialien mit unterschiedlichen Spezifika als fluide verfestigbare Materialien verwendet werden.In another advantageous embodiment of the method, at least two materials with different specifics can be used as fluid solidifiable materials for the purposeful adaptation of the properties of the three-dimensional object.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens kann zur gezielten Anpassung der Eigenschaften des dreidimensionalen Gegenstands und zur Erhaltung dessen Formstabilität bei der Verwendung von mindestens zwei Materialien mit unterschiedlichen Spezifika, die nicht eine gleiche, notwendige Bauraumtemperatur vertragen, bei auf die niedrigere der beiden Temperaturen eingestellter Bauraumtemperatur, die Temperatur des Volumenelements, das die höhere Verschmelzungstemperatur benötigt, zu dessen Auftrag erhöht oder verringert werden, und/oder bei auf die höhere der beiden Temperaturen eingestellter Bauraumtemperatur, die Temperatur des Volumenelements, das die niedrigere Verschmelzungstemperatur benötigt, zu dessen Auftrag verringert oder erhöht werden Diese Schritte sind damit auch kombinierbar, d.h. es kann gezielt eine höhere Temperatur mit Erwärmung und/oder eine geringere Temperatur mit Kühlung auf die ggf. auch benachbarten Volumenelemente angewandt werden. Dies schließt auch die Möglichkeit ein, die Temperaturen am Austragort nach Ausbringen des Volumenelements nachträglich zu erhöhen oder zu verringern.In an advantageous embodiment of the method, for the targeted adjustment of the properties of the three-dimensional object and to maintain its dimensional stability when using at least two materials with different specifics that do not tolerate the same necessary installation space temperature, with the installation space temperature set to the lower of the two temperatures, the temperature of the volume element that requires the higher fusion temperature can be increased or reduced for its application, and/or when the installation space temperature is set to the higher of the two temperatures, the temperature of the volume element that requires the lower fusion temperature can be reduced or increased for its application These steps can also be combined, i.e. a higher temperature with heating and/or a lower temperature with cooling can be applied to the possibly also neighboring volume elements. This also includes the possibility of subsequently increasing or reducing the temperatures at the discharge point after the volume element has been discharged.
Gerade bei Multi-Material-Systemen können durch gezielte Einflussnahme auf die Randbedingungen und die Temperatur/en, sei es z.B. im Bauraum, am Träger oder im Material selbst, vorteilhaft Rahmenbedingungen geschaffen werden, die es gestatten auch Materialien mit unterschiedlichen Spezifika zuverlässig miteinander zu verbinden bzw. zu vereinigen.Especially in multi-material systems, by specifically influencing the boundary conditions and the temperature/s, be it e.g. in the installation space, on the carrier or in the material itself, advantageous framework conditions can be created that also allow materials with different specifics to be reliably connected to one another or to unite.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens kann bei der Verwendung schwerer verarbeitbarer Materialien, insbesondere bei der Verwendung von Hochtemperaturmaterialien, wie z. B. PEI, PSU, PPSU, PEEK, PEAK, PEK oder PPS, deren notwendige Bauraumtemperatur nicht realisiert werden kann, die Temperatur des Volumenelements zu dessen Auftrag erhöht werden.In an advantageous embodiment of the method, when using more difficult to process materials, especially when using high-temperature materials such. B. PEI, PSU, PPSU, PEEK, PEAK, PEK or PPS, the necessary installation space temperature can not be realized, the temperature of the volume element can be increased to its order.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens, die die Diffusion der Volumenelemente zusätzlich begünstigt und/oder z. B. bei teilkristallinen Kunststoffen die Morphologieentwicklung beeinflusst bzw. gezielt steuert, können ausgetragene Volumenelemente nach vollständigem Austrag der Fülllinie und /oder Konturlinie temperiert werden. Grundsätzlich kann die mit Volumenelementen zu versehende Oberfläche eines den herzustellenden dreidimensionalen Gegenstand tragenden Trägers oder des dreidimensionalen Gegenstands nicht nur beim Materialaustrag erwärmt/gekühlt wird, sondern auch ohne Materialaustrag.In another advantageous embodiment of the method, which also favors the diffusion of the volume elements and / or z. B. in the case of semi-crystalline plastics, the morphology development is influenced or specifically controlled, discharged volume elements can tempered after the filling line and/or contour line has been completely drawn out. In principle, the surface of a carrier carrying the three-dimensional object to be produced or of the three-dimensional object to be provided with volume elements can be heated/cooled not only during material discharge, but also without material discharge.
So kann durch gezieltes Halten bzw. Erhöhen bzw. Absenken der Umgebungstemperatur die Morphologieentwicklung begünstigt werden. Auf die Umgebungstemperatur haben dabei insbesondere die Temperaturen im Bauraum sowie die des vorzugsweise temperierbaren Trägers Einfluss. Ein derart temperierbarer Bauträger kann vorteilhaft wie eine Erweiterung der Bauraumbeheizung wirken (gleiche Temperatureinstellungen), um z.B. eine homogene Temperatursteuerung des dreidimensionalen Gegenstands sicher zu stellen, indem z.B. von allen Bauteilseiten gleiche Temperaturbedingungen geschaffen werden. Dies trägt zur Vermeidung von Spannungen und damit zur Verzugsminimierung bei.The development of morphology can be favored by deliberately maintaining or increasing or decreasing the ambient temperature. In particular, the temperatures in the installation space and those of the carrier, which can preferably be temperature-controlled, have an influence on the ambient temperature. Such a temperature-controlled builder can advantageously act as an extension of the installation space heating (same temperature settings), e.g. to ensure homogeneous temperature control of the three-dimensional object, e.g. by creating the same temperature conditions on all component sides. This helps to avoid tension and thus minimize distortion.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens, durch die die vorteilhaft mechanischen Eigenschaften des dreidimensionalen Gegenstands vorhergesagt werden können, kann mittels einer Simulation eine Morphologieentwicklung des dreidimensionalen Gegenstands aufgrund einer Temperaturentwicklung bestimmt werden.In a further embodiment of the method, by means of which the advantageous mechanical properties of the three-dimensional object can be predicted, a morphology development of the three-dimensional object can be determined on the basis of a temperature development by means of a simulation.
Die Aufgabe wird zudem durch eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens gelöst. Ebenfalls wird die Aufgabe durch ein Computerprogrammprodukt gelöst. Für Vorteile hinsichtlich einer lokalen Anpassung der Temperaturen, um homogene Eigenschaften eines erzeugten Gegenstands mit einer optimalen Verschmelzung der Volumenelemente zu realisieren, ohne materialabhängige Temperaturgrenzen zu überschreiten, ist das Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode auf einem Computer lesbaren Medium gespeichert zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens.The object is also achieved by a device for carrying out the method. The task is also solved by a computer program product. For advantages in terms of a local adjustment of the temperatures in order to realize homogeneous properties of a produced object with an optimal fusion of the volume elements without exceeding material-dependent temperature limits, the computer program product is stored with a program code on a computer-readable medium for carrying out the method described above.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen.Further advantages result from the dependent claims and the following description of exemplary embodiments.
Die Erfindung wird nun anhand von in den beigefügten Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1a, 1b
- schematische Darstellungen eines ersten Volumenelements bzw. eines zweiten Volumenelements mit einer Molekülkette,
- Fig. 1c
- eine schematische Darstellung einer Verbindung der beiden Volumenelemente aus
Fig. 1a und Fig. 1b mit miteinander verbundenen Molekülketten, - Fig. 1d
- eine schematische Darstellung einer unvollständigen Verbindung der Volumenelemente aus
Fig. 1a und Fig. 1b mit nicht verbundenen Molekülketten, - Fig. 2
- eine schematische Darstellung eines der Erfindung zugrunde liegenden Wärmeenergiemodells,
- Fig. 3
- ein Flussdiagramm zur Verdeutlichung der Simulation,
- Fig. 4a, 4b
- schematische Darstellungen der Fülllinien bzw. Konturen eines dreidimensionalen Gegenstands,
- Fig. 5
- eine schematische Darstellung aneinandergereihter Volumenelemente, der Konturen und Füllung des dreidimensionalen Gegenstands aus
Fig. 4a und Fig. 4b , - Fig. 6
- eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens,
- Fig. 7
- eine vergrößerte Ansicht von Austragseinheit und Bauraum.
- Figures 1a, 1b
- schematic representations of a first volume element or a second volume element with a molecular chain,
- 1c
- a schematic representation of a connection of the two volume elements
Figures 1a and 1b with interconnected molecular chains, - Fig. 1d
- a schematic representation of an incomplete connection of the volume elements
Figures 1a and 1b with unconnected molecular chains, - 2
- a schematic representation of a thermal energy model on which the invention is based,
- 3
- a flowchart to illustrate the simulation,
- Figures 4a, 4b
- schematic representations of the filling lines or contours of a three-dimensional object,
- figure 5
- a schematic representation of lined-up volume elements, the contours and filling of the three-dimensional object
Figures 4a and 4b , - 6
- a device according to the invention for carrying out the method,
- 7
- an enlarged view of the discharge unit and installation space.
Bevor die Erfindung im Detail beschrieben wird, ist darauf hinzuweisen, dass sie nicht auf die jeweiligen Bauteile der Vorrichtung sowie die jeweiligen Verfahrensschritte beschränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn zudem in der Beschreibung oder in den Ansprüchen die Einzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden, bezieht sich dies auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutig etwas Anderes deutlich macht.Before the invention is described in detail, it should be pointed out that it is not limited to the respective components of the device and the respective method steps, since these components and methods can vary. The terms used herein are only intended to describe particular embodiments and are not used in a limiting manner. Furthermore, if the singular or indefinite articles are used in the description or in the claims, this also applies to the plural of these elements, unless the overall context clearly indicates otherwise.
Die mechanischen Eigenschaften bei extrudierenden und aufschmelzenden 3D Druckprozessen (FDM, AKF, etc.) werden durch die Materialeigenschaften selbst, sowie die Bindungsstärke von den abgelegten, in der Größe variablen Volumenelemente (Filamente, Tropfen, etc.) bestimmt. Die Bindungsstärke wird wiederum durch den Bindungsprozess zwischen benachbarten Volumenelementen bestimmt, der während des 3D-Druckens stattfindet, und dieser ist abhängig von den thermischen Randbedingungen.The mechanical properties in extruding and melting 3D printing processes (FDM, AKF, etc.) are determined by the material properties themselves, as well as the bond strength of the deposited volume elements of variable size (filaments, drops, etc.). The bonding strength is in turn determined by the bonding process between neighboring volume elements that takes place during 3D printing, and this depends on the thermal boundary conditions.
Das Zusammenschmelzen von einzelnen Volumenelementen 110, 120 zu einer stoffschlüssigen Verbindung 150 ist abhängig von den Interdiffusionen und Verschlaufungen von Polymerketten bzw. Molekülketten 130, 140 in die Grenzschicht des Bindungspartners. Voraussetzung für die Interdiffusion ist eine gewisse Beweglichkeit der Molekülketten 130, 140, begünstigt durch ein ausreichend hohes thermisches Niveau. Die
Bei amorphen Polymeren tritt diese Bewegung oberhalb der Glasübergangstemperatur in der thermoplastischen Zustandsform auf. Demensprechend muss die thermische Energie der neu aufgebrachten Volumenelemente 110, 120 hoch genug sein, um sämtliche Bindungspartner in der Grenzfläche über die Glasübergangstemperatur zu erwärmen.In the case of amorphous polymers, this movement occurs above the glass transition temperature in the thermoplastic state. Accordingly, the thermal energy of the newly applied
Bei den aufschmelzenden 3D Druckprozessen kann zum einen die Kontakttemperatur zwischen den zuvor bereits ausgebrachten, ggf. bereits erstarrten Volumenelemente 120 bzw. 150 am herzustellenden dreidimensionalen Gegenstand und/oder die Schmelzetemperatur des neu abzulegenden Volumenelements 110 das Zusammenschmelzen der Volumenelemente 110 und 120 bzw. 150 beeinflussen.In the melting 3D printing processes, on the one hand, the contact temperature between the
Eine Temperaturerhöhung der Schmelze bewirkt zudem eine Senkung der Viskosität, allerdings sind niedrigere Viskositäten zum Teil nicht möglich ohne das Hervorrufen einer thermischen Schädigung des Materials. Die Umgebungstemperatur wird meist mittels erzwungener Konvektion von erwärmter Luft realisiert, die Erhöhung dieser ist begrenzt durch die Formstabilität des jeweiligen Materials.An increase in the temperature of the melt also causes a reduction in viscosity, although lower viscosities are sometimes not possible without causing thermal damage to the material. The ambient temperature is usually achieved by forced convection of heated air, the increase in this is limited by the dimensional stability of the material in question.
Bei der Einstellung der Umgebungstemperatur bei Multi-Materialdruck muss zudem ein Kompromiss eingegangen werden, besonders wenn die Materialschmelzpunkte weit auseinanderliegen. Beim Unterschreiten der jeweiligen Schmelzepunkttemperatur wird keine ausreichende Materialverschmelzung gewährleistet und beim Überschreiten der Schmelzepunkttemperatur liegt keine ausreichende Formstabilität des jeweiligen Materials vor, wodurch die geometrischen Eigenschaften des dreidimensionalen Gegenstands negativ beeinflusst werden könnten.There is also a compromise to be made when setting the ambient temperature for multi-material printing, especially when the material melting points are far apart. If the respective melting point temperature is not reached, sufficient material fusion is not guaranteed and if the melting point temperature is exceeded, the respective material does not have sufficient dimensional stability, as a result of which the geometric properties of the three-dimensional object could be adversely affected.
Beispiele sind die Verarbeitung der Materialkombination ABS und TPU. Für ABS wird eine Bauraumtemperatur von 100°C empfohlen und für TPU 80°C. Während die eine Temperatur für ein Material zu hoch ist und eine Formstabilität während des Prozesses nicht mehr gewährleistet werden kann, ist die andere Temperatur für das andere Material zu gering, sodass keine ausreichende Materialverschmelzung stattfinden kann. Die Verarbeitung von Materialkombinationen, deren Schmelzpunkte weit auseinanderliegen, ist somit kaum möglich.Examples are the processing of the material combination ABS and TPU. A construction space temperature of 100°C is recommended for ABS and 80°C for TPU. While one temperature is too high for one material and dimensional stability can no longer be guaranteed during the process, the other temperature is too low for the other material, so that sufficient material fusion cannot take place. The processing of material combinations whose melting points are far apart is therefore hardly possible.
Zudem liegt bei Hochtemperaturmaterialien (wie z.B. PEI, PSU und PPSU sowie PEEK bzw. PEAK, PEK und PPS) die notwendige Bauraumtemperatur bei über 200°C und ist meist technisch nur begrenzt realisierbar.In addition, with high-temperature materials (such as PEI, PSU and PPSU as well as PEEK or PEAK, PEK and PPS), the necessary installation space temperature is over 200°C and is usually only technically feasible to a limited extent.
Des Weiteren hängt die Temperaturentwicklung der Volumenelemente 110, 120 während des 3D-Druckprozesses von weiteren thermischen Bedingungen, wie den Materialeigenschaften und den Prozessparametern, wie Druck, Austragsgeschwindigkeit, Durchflussmenge durch die Austragsdüse, usw., aber auch der geometrischen Gegebenheit der zu fertigenden dreidimensionalen Gegenstände 410 (
Werden einzelne Volumenelemente 110, 120 zeitlich nahe nebeneinander abgelegt, liegt ein hohes Temperaturniveau vor und eine Verschmelzung wird begünstigt. Bei großen Gegenstandsquerschnitten sind viele der bereits abgelegten Volumenelemente 120, 150 schon (fast) auf Bauraumtemperatur abgekühlt und befinden sich im Bereich der thermoelastischen Zustandsform, d.h. sie sind ggf. bereits erstarrt. Wird direkt daneben ein neues Volumenelement 110 abgelegt, werden auf Bauraumtemperatur abgekühlte Volumenelemente 120, 150 aufgrund des höheren Temperaturniveaus zwar erwärmt bzw. angeschmolzen, aber die Volumenelemente 110 und 120 bzw. 150 können nicht mehr nahtlos zusammenschmelzen, da das mittlere Temperaturniveau nicht ausreichend ist.
Das im Folgenden vorgestellte Verfahren und die Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens dienen der Lösung der eingangs beschriebenen Aufgabe unter Erreichung der oben beschriebenen vollständigen Verbindung 150 der einzelnen Volumenelemente 110 und 120 bzw. 150 mit einer Verbindung bzw. Verschlaufung 160 der ursprüngliche getrennten Molekülketten 130, 140.The method presented below and the device for carrying out the method serve to solve the task described at the outset while achieving the above-described
Dazu ist es notwendig, ein möglichst umfassendes Modell des dreidimensionalen Gegenstands zu verwenden, mit dessen Hilfe die Randbedingungen des Materialaustrags und der Materialverbindung der ursprünglich Volumenelemente 110, 120 definiert werden können. Das Modell kann dabei auf einem empirischen, analytischen oder numerischen Ansatz beruhen.For this it is necessary to use a model of the three-dimensional object that is as comprehensive as possible, with the aid of which the boundary conditions of the material discharge and the material connection of the
Der zeitliche Temperaturverlauf der Gegenstandsoberfläche am Ort des Materialaustrags kann beispielsweise mithilfe einer Differentialgleichung modelliert werden. Die Lösung hängt dabei sowohl von den Verfahrbefehlen für den jeweiligen herzustellenden dreidimensionalen Gegenstand sowie von den Umgebungsbedingungen während des Bauprozesses ab.The temperature profile of the surface of the object over time at the point where the material is discharged can be modeled using a differential equation, for example. The solution depends both on the movement commands for the respective three-dimensional object to be produced and on the environmental conditions during the construction process.
Über die Wärmekapazität Cv wird die Temperaturänderung dT in einem Volumenelement mit der Änderung dQV der Wärme verknüpft:
Die für die Anhaftung eines Volumenelements relevante Größe ist die Temperatur auf der Oberfläche zum Zeitpunkt des Austrags. Deshalb werden die Größen C und Q als Wärmekapazität bzw. Wärme pro Fläche A eingeführt. Die Größen C und Q sind immer mit einer Höhe Δz verknüpft, welche zusammen mit A ein Volumen definiert auf das sich die Wärmeänderung bezieht. Durch Ableiten der obigen Gleichung nach der Zeit t erhält man:
Hierbei beschreibt
Als Ansatz zur Reduzierung des Rechenaufwandes können für die Wärmeverluste folgende Ausdrücke verwendet werden:
Gleichung (1.4) ist die Formel für Wärmeleitung im stationären, eindimensionalen Fall. Die Wärmeleitung ist abhängig von der Wärmeleitfähigkeit λ und der Temperaturdifferenz über die Länge lz und wird nur in Z-Richtung betrachtet, also nicht in der X-Y - Ebene zwischen den einzelnen Austragsorten.Equation (1.4) is the formula for heat conduction in the stationary, one-dimensional case. The heat conduction depends on the thermal conductivity λ and the temperature difference over the length l z and is only considered in the Z direction, i.e. not in the XY plane between the individual discharge points.
Gleichung (1.5) beschreibt die natürliche Konvektion. Luftzirkulation im Bauraum 610 erzeugt durch Gebläse können dabei vernachlässigt werden. Gleichung (1.6) beschreibt den Wärmetransfer durch Strahlung nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Oberflächen der Umgebung homogen die Temperatur TUmgebung haben.Equation (1.5) describes natural convection. Air circulation in the
Um den Rechenaufwand zur Lösung von DGL (1.3) weiter zu reduzieren, können die Wärmeverluste zusammengefasst und linearisiert werden. Somit würde man erhalten:
Gleichung (1.7) beschreibt zusammen mit den neuen Parametern Γ > 0 und γ > 0 eine Oberfläche mit Temperaturverlusten, welche linear in der Temperatur sind. Die neuen Parameter können dabei material- und ortsabhängig sein. Für die linearisierte Differentialgleichung (1.7) lautet dann die Lösung:
Bei bekanntem zeitlichem Verlauf der eingestrahlten Wärme pro Zeit, Q̇HS(t) am Ort ri erhält man über diese Gleichung den zeitlichen Verlauf der Temperatur an diesem Punkt.With a known time profile of the radiated heat per time, Q̇ HS (t) at location ri , this equation gives the time profile of the temperature at this point.
Ist lokal eine Temperaturerhöhung zum Zeitpunkt des Materialaustrags notwendig, kann dies mittels Erhöhung von Q̇HS erfolgen.If a local increase in temperature is necessary at the time of material discharge, this can be done by increasing Q̇ HS .
Während des gesamten Bauprozesses können die Temperaturen der Gegenstandsoberfläche durch Modellierung berechnet und durch Anpassungen des den dreidimensionalen Gegenstand 410 erzeugenden Maschinencodes, welcher auch die Ansteuerung mindestens einer Wärmequelle, mindestens eines Lüfters und/oder mindestens einer anderen steuerbaren Wärmesenke beinhalten kann, so verändert werden, dass diese zum Zeitpunkt des Materialaustrags am Ort desselben in einem vorher festgelegten, materialabhängigen Intervall liegen, um homogene Gegenstandseigenschaften mit einer ausreichenden Verschmelzung der Volumenelemente 110, 120 zu realisieren. Dabei wird vorteilhaft zu keinem Zeitpunkt eine vorher festgelegte, materialabhängige Temperaturobergrenze überschritten, um ein Aufschmelzen bzw. Aufweichen und/oder Zerfließen von bereits abgelegtem Material zu vermeiden und die Formstabilität des dreidimensionalen Gegenstands 410 zu gewährleisten.During the entire construction process, the object surface temperatures can be calculated by modeling and modified by adjustments to the machine code that generates the three-
Der Temperaturverlauf am Ort ri muss also folgende Bedingung erfüllen:
Dabei ist ti der Zeitpunkt zu dem Material am Ort ri ausgetragen wird. Für jede Schicht können die Temperaturen T(ri,t) durch Integration der Gleichung (1.3) bestimmt werden. Als Parameter gehen die Ausgangstemperaturverteilung der Oberfläche zu Beginn des Schichtbaus und die geometrieabhängigen Wärmeverlustkoeffizienten, wie beispielsweise des Modells des dreidimensionalen Gegenstands in Gleichungen (1.4) - (1.6) oder des Modells in (1.7) ein. Aus den Befehlen des Maschinencodes kann die relative Trajektorie der Austragsdüse 210 (und von eventuell vorhandenen zusätzlichen Wärmequellen) bezüglich der Gegenstandsoberfläche bestimmt werden. Dabei kann die zusätzliche Wärmequelle an der Austragsdüse 210 angeordnet und relativ zu dieser bewegbar sein. Dies definiert sowohl die Geometrie des dreidimensionalen Gegenstands 410 in der betrachteten Schicht, als auch den zeitabhängigen Abstand zu den Wärmequellen. Aus Letzterem ergibt sich - zusammen mit der räumlichen Verteilung der Strahlungsamplitude - die zeitabhängig auf die Gegenstandsoberfläche eingestrahlte Leistung der Wärmequellen.In this case, t i is the point in time at which material is discharged at location r i . For each layer, the temperatures T(r i ,t) can be determined by integrating equation (1.3). The initial temperature distribution of the surface at the beginning of the layer construction and the geometry-dependent heat loss coefficients, such as the model of the three-dimensional object in equations (1.4) - (1.6) or the model in (1.7), are used as parameters. The relative trajectory of the discharge nozzle 210 (and any additional heat sources present) with respect to the object surface can be determined from the instructions of the machine code. The additional heat source can be arranged on the
Vorzugsweise wird das Verfahren vorausschauend durchgeführt, also wenigstens vor Austragen des Materials für wenigstens ein Volumenelement 110 oder auch für Teile des oder den vollständigen dreidimensionalen Gegenstand 410. Dies geschieht durch vorausschauendes Berechnen der Temperatur des Volumenelements 110 für jede diskrete Position und Beeinflussen der mindestens einen Wärmequelle 640 und der mindestens einen Wärmesenke, indem der Maschinencode und die Randbedingungen zur Temperaturerhöhung und Temperaturverminderung angepasst werden. Dadurch kann vorteilhaft, bevor die Volumenelemente 110 entstehen, deren Einfluss auf die Herstellung des Gegenstands 410 berücksichtigt und zur Optimierung des Gegenstands beeinflusst werden.The method is preferably carried out with foresight, ie at least before the material is discharged for at least one
Falls die berechnete, orts- und zeitabhängige Oberflächentemperatur T(r,t) eine der beiden Bedingungen (1.9 oder 1.10) verletzt, kann mindestens eine oder eine Kombination der folgenden Maßnahmen durchgeführt werden:
- Veränderung der Prozessgeschwindigkeiten, z.B. die des
Trägers 620 des herzustellenden Gegenstands und/oder der mindestens einen Austragseinheit 630 (Fig. 6 ), - Steuerung der abgestrahlten Leistung der mindestens einen Wärmequelle 640 (
Fig. 7 ), - Steuern mindestens einer Wärmesenke 650 (
Fig. 7 ), - Einfügen von zusätzlichen Verfahrbefehlen oder auch Wartebefehlen,
- Veränderung der Reihenfolge der ausgetragenen Elemente (Konturen, Fülllinien),
- Veränderung der Beschaffenheit von Füll- und /oder Komturlinien, wie z.B. Aufspaltung in mehrere einzelne Fülllinien mit jeweils angepasster Geschwindigkeit und/oder Umwandlung in Einzelaustrag.
- Changing the process speeds, e.g. that of the
carrier 620 of the object to be produced and/or the at least one discharge unit 630 (6 ), - Control of the radiated power of the at least one heat source 640 (
7 ), - Controlling at least one heat sink 650 (
7 ), - Insertion of additional movement commands or waiting commands,
- changing the order of the drawn elements (contours, filling lines),
- Changing the nature of filling and/or compass lines, such as splitting into several individual filling lines, each with an adjusted speed and/or conversion to a single discharge.
Dies geschieht mit dem Ziel, die durch die Wärmequelle(n) eingebrachte und durch Wärmeverluste abgegebene Energie an der Gegenstandsoberfläche so zu beeinflussen, dass nach Durchführung der Maßnahmen beide oben genannten Bedingungen (1.9 und 1.10) erfüllt sind.This is done with the aim of influencing the energy brought in by the heat source(s) and given off by heat losses on the object's surface in such a way that both of the above conditions (1.9 and 1.10) are met after the measures have been carried out.
Dieses Vorgehen, das im Flussdiagramm der
Block 310 beschreibt die Eingangsdaten in Form eines 3D Volumens z.B. eines STLs bzw. die Schichtstapel, die das 3D Volumen beschreiben (z.B. CLI). Dabei ist unter einem STL ein CAD Datenformat, das die äußere Geometrie des dreidimensionalen Gegenstands (sichtbare Kontur des 3D Volumens) beschreibt bzw. unter einem CLI ein CAD Datenformat, das einen Schichtstapel an Konturlinien des 3D Volumens beschreibt, zu verstehen. Im Block 320 wird entsprechend der inneren und äußeren Gestalt des herzustellenden Gegenstands 410 ein dem entsprechender Maschinencode erstellt, der neben den einzelnen geometrischen Positionen im dreidimensionalen Raum auch die sonstigen Randbedingungen zur Austragung des jeweiligen Volumenelements 110 beinhaltet. Diese Randbedingungen entsprechen den oben angegebenen Maßnahmen. Beim nun folgenden Lösen der oben angegebenen Differentialgleichung (1.3) im Block 340 wird auch das Ausgangstemperaturfeld (Bauraumtemperatur bzw. Temperatur des Gegenstands) im Block 330 beim Austrag jedes Volumenelements 110 mit einbezogen. Für jedes auszutragende Volumenelement 110 wird im Block 350 überprüft, ob die oben genannten Bedingungen (1.9, 1.10) eingehalten werden. Im positiven Fall kann dann im Block 370 der Maschinencode ausgegeben werden. Im negativen Fall muss der Maschinencode modifiziert werden, wobei er auch erweitert werden kann. Der weitere Ablauf ist dann wieder identisch entsprechend den nach Block 320 folgenden Blöcken.
Die Berechnungen des Verfahrens werden bevorzugt offline durchgeführt, d. h. vor der eigentlichen Erzeugung des 3D-Gegenstands. Sie können jedoch auch online durchgeführt werden. Ein Kriterium dafür kann z. B. die verfügbare Rechenleistung sein. Bevorzugt wird für die notwendigen Berechnungen ein numerischer Modellansatz verwendet, es kann jedoch auch ein empirischer oder analytischer Ansatz verwendet werden.The calculations of the method are preferably carried out offline, i. H. before actually creating the 3D object. However, they can also be carried out online. A criterion for this can B. the available computing power. A numerical model approach is preferably used for the necessary calculations, but an empirical or analytical approach can also be used.
Mit Unterstützung durch das beanspruchte Verfahren zur thermischen Prozessführung ist wenigstens ein dreidimensionaler Gegenstand 410 mittels additiver Fertigung durch es Austragen von Volumenelementen 110 bestimmter Größe pro Zeiteinheit, vorzugsweise durch sequentielles Austragen, mindestens eines fluiden verfestigbaren Materials mit einer bestimmten Temperatur mittels mindestens einer Austragsdüse 210 mindestens einer Austragseinheit 630 einer durch das Verfahren steuerbaren Vorrichtung gemäß
Das Modell ist Teil eines computerimplementierten Maschinencodes, der die diskreten Positionen der auszutragenden Volumenelemente 110 und Randbedingungen für deren Austrag definiert. Für jede diskrete Position im dreidimensionalen Raum wird die Temperatur des Volumenelements 110 berechnet und es werden die Wärmeenergien berücksichtigt, die durch mindestens eine Wärmequelle 640 und mindestens eine Wärmesenke 650 gemäß
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- Feststellen, ob die berechnete Temperatur des aktuellen Volumenelements 110 zum aktuellen Zeitpunkt an der aktuellen diskreten Position innerhalb eines materialspezifischen Intervalls liegt,
- Feststellen, ob die berechneten Temperaturen der benachbarten Volumenelemente 120, 150 in einem betrachteten Zeitintervall von einem vorigen bis zum aktuellen Zeitpunkt unterhalb einer materialspezifischen Temperaturobergrenze liegen,
- falls die berechnete Temperatur am Ort des aktuellen Volumenelements 110 innerhalb des materialspezifischen Intervalls und die Temperaturen der benachbarten Volumenelemente 120, 150 im betrachten Zeitintervall unterhalb der materialspezifischen Temperaturobergrenze liegen:
- Fortfahren mit dem Feststellen der Temperatur des nächsten Volumenelements 110 an der nächsten diskreten Position zu einem nächsten zugeordneten diskreten Zeitpunkt,
- Fortfahren mit dem Feststellen der Temperaturen der benachbarten Volumenelemente 120, 150 bis zum nächsten zugeordneten diskreten Zeitpunkt,
- falls die berechnete Temperatur außerhalb des materialspezifischen Intervalls liegt oder die Temperaturen der benachbarten Volumenelemente 120, 150 im betrachten Zeitintervall oberhalb der Temperaturobergrenze liegen:
- Anpassen des Maschinencodes und/oder der Randbedingungen zur Temperaturerhöhung und Temperaturverminderung mindestens an der aktuellen diskreten Position,
- Fortfahren mit dem erneuten Feststellen der Temperatur des aktuellen Volumenelements 110 an der aktuellen diskreten Position,
- Fortfahren mit dem erneuten Feststellen der Temperaturen der
120, 150,Volumenelemente
- Determining whether the calculated temperature of the
current volume element 110 at the current time at the current discrete position is within a material-specific interval, - Determining whether the calculated temperatures of the neighboring
120, 150 in a considered time interval from a previous to the current time are below a material-specific upper temperature limit,volume elements - if the calculated temperature at the location of the
current volume element 110 is within the material-specific interval and the temperatures of the neighboring 120, 150 are below the material-specific upper temperature limit in the time interval under consideration:volume elements - proceeding to determine the temperature of the
next volume element 110 at the next discrete position at a next associated discrete time, - continuing to determine the temperatures of the neighboring
120, 150 until the next assigned discrete point in time,volume elements - if the calculated temperature is outside the material-specific interval or the temperatures of the neighboring
120, 150 are above the upper temperature limit in the considered time interval:volume elements - Adapting the machine code and/or the boundary conditions for temperature increase and temperature decrease at least at the current discrete position,
- proceeding to re-determine the temperature of the
current volume element 110 at the current discrete position, - Proceeding to re-determine the temperatures of the
120, 150,volume elements
Die o. g. Schritte des Verfahrens können z. B. nur für das aktuell auszutragende Volumenelement 110 und ein benachbartes Volumenelement 120 oder für mehrere vorzugsweise diskrete benachbarte Volumenelemente 110, 120 in X-, Y- oder Z-Richtung ausgeführt werden, so dass es beispielsweise nur für eine Reihe, mehrere Reihen, eine Schicht, mehrere Schichten oder den kompletten Gegenstand 410 ausgeführt wird. Dies kann bedarfsweise auch vorausschauend für ein oder mehrere Volumenelemente 110, 120 oder auch für einen Teil des oder das vollständige Modell des dreidimensionalen Gegenstands erfolgen.The above steps of the method can, for. B. only for the currently to be discharged
Dabei werden vorteilhaft zu keinem Zeitpunkt vorher festgelegte, materialabhängige Temperaturobergrenzen überschritten, um ein Aufschmelzen bzw. Aufweichen und/oder Zerfließen von bereits abgelegtem Material zu vermeiden und die Formstabilität des dreidimensionalen Gegenstands zu gewährleistenAdvantageously, previously defined, material-dependent upper temperature limits are not exceeded at any time in order to avoid melting or softening and/or deliquescence of material that has already been deposited and to ensure the dimensional stability of the three-dimensional object
Das materialspezifische Intervall kann z.B. dadurch definiert sein, dass innerhalb diese Intervalls ein vollständiges Verschmelzen des aktuellen Volumenelements 110 mit benachbarten Volumenelementen 120, 150 stattfinden kann. Die materialspezifische Temperaturobergrenze kann z.B. dadurch definiert sein, dass unter dieser Temperaturobergrenze die Formstabilität der Volumenelemente garantiert ist.The material-specific interval can be defined, for example, in that a complete merging of the
In einer ersten Ausführungsform des Verfahrens, welche die Genauigkeit der lokalen Temperaturberechnung erhöht, können für jede diskrete Position im dreidimensionalen Raum zum Berechnen der Temperatur des Volumenelements 110 die Wärmeenergien, die in den Bauraum 610 von der mindestens einen Austragsdüse 210 der mindestens einen Austragseinheit 630 und/oder mindestens einer im Bauraum 610 an der mindestens einen Austragsdüse 210 angeordneten Wärmequelle und Wärmesenke ein- und ausgetragen werden und die auf das Volumenelement 110 einwirken, und die Wärmeenergien, die in den Bauraum 610 von dem Volumenelement 110 an mindestens direkt benachbarte Volumenelemente 120 sowie als Wärmestrahlung und freie Konvektion an die Umgebung abgegeben werden, berücksichtigt werden.In a first embodiment of the method, which increases the accuracy of the local temperature calculation, for each discrete position in three-dimensional space to calculate the temperature of
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens, welche die Genauigkeit der lokalen Temperaturberechnung erhöht bei gleichzeitiger Reduzierung des Rechenaufwands, können die Wärmeenergien, die für die Berechnung der Temperatur von Volumenelementen 110 für jede diskrete Position im dreidimensionalen Raum relevant sind und die durch mindestens eine Wärmequelle und mindestens eine Wärmesenke in den Bauraum 610 ein- und ausgetragen und durch Wärmeverluste im Bauraum 610 abgegeben werden, in eine Differentialgleichung innerhalb des Modells des dreidimensionalen Gegenstands und des Maschinencodes eingehen, wobei zu deren Lösung Teile der Differentialgleichung linearisiert werden können.In a further embodiment of the method, which increases the accuracy of the local temperature calculation while reducing the computational effort, the thermal energies that are relevant for the calculation of the temperature of
In einer zusätzlichen Ausführungsform des Verfahrens, welche die Temperaturverteilung im dreidimensionalen Gegenstand 410 weiter optimiert, kann zusätzlich für mindestens eine der direkt benachbarten diskreten Positionen die Temperatur des Volumenelements 120 neu berechnet und basierend darauf der Maschinencode und/oder die ggf. damit verbundenen Randbedingungen zur Temperaturerhöhung und Temperaturverminderung für mindestens diese diskrete Position angepasst werden.In an additional embodiment of the method, which further optimizes the temperature distribution in the three-
Zudem können unter vorteilhafter Optimierung der Temperaturverteilung im dreidimensionalen Gegenstand 410 zusätzlich für alle anderen diskreten Positionen die Temperaturen der Volumenelemente 120 neu berechnet und basierend darauf der Maschinencode und/oder die ggf. damit verbundenen Randbedingungen zur Temperaturerhöhung und Temperaturverminderung für diese diskreten Positionen angepasst werden.In addition, with advantageous optimization of the temperature distribution in the three-
In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens, welche die Genauigkeit der lokalen Temperaturberechnung erhöht, kann aus Befehlen des Maschinencodes eine relative Trajektorie der mindestens einen Austragsdüse 210 und ggf. wenigstens einer zusätzlich an der mindestens einen Austragsdüse angeordneten Wärmequelle und mindestens einen Wärmesenke bezüglich der Oberfläche eines den herzustellenden dreidimensionalen Gegenstand 410 tragenden Trägers 620 und/oder des Gegenstands 410 bestimmt werden. Insbesondere kann auch der Träger 620 temperiert werden.In another embodiment of the method, which increases the accuracy of the local temperature calculation, a relative trajectory of the at least one
Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens, die Alternativen für die Anpassung der lokalen Temperaturen bereitstellt, kann das Anpassen der Randbedingungen mittels mindestens einer oder einer Kombination der folgenden Maßnahmen umfassen:
- das Verändern der Prozessgeschwindigkeit des Austrags, wobei dieses z.B. über das Verändern der Fahrgeschwindigkeiten des
Trägers 620 herzustellenden Gegenstands 410 und/oder dermindestens einen Austragseinheit 630 erreichbar ist; - das Steuern der abgestrahlten Leistung der mindestens einen Wärmequelle;
- Steuern mindestens einer Wärmesenke
- das Einfügen von zusätzlichen Verfahrbefehlen oder auch Wartebefehlen;
- das Verändern der Reihenfolge der diskreten Positionen, an denen nacheinander Volumenelemente 110, 120 ausgetragen werden. Dabei können z. B. zunächst einzelne Konturen ausgetragen werden, unterbrochen vom Austrag von Fülllinien;
- das Verändern der Beschaffenheit von Fülllinien, wie z.B. Aufspaltung in mehrere einzelne Fülllinien mit jeweils angepasster Geschwindigkeit und/oder Umwandlung in Einzelaustrag, wobei Konturen oder Fülllinien beispielsweise in der Art ausgetragen werden, dass nur prozesstechnische Pausen zwischen den einzelnen Austrägen erfolgen, diese also kontinuierlich ausgetragen werden, oder zusätzliche, prozesstechnisch nicht notwendige Pausen eingefügt werden, wodurch die Temperatur gesenkt wird.
- changing the process speed of the discharge, whereby this
object 410 to be produced and/or the at least onedischarge unit 630 can be reached, for example, by changing the travel speed of thecarrier 620; - controlling the radiated power of the at least one heat source;
- Controlling at least one heat sink
- the insertion of additional movement commands or waiting commands;
- changing the order of the discrete positions at which
110, 120 are successively discharged. In doing so, e.g. B. first individual contours are discharged, interrupted by the discharge of filling lines;volume elements - changing the nature of filling lines, such as splitting them into several individual filling lines, each with an adjusted speed and/or converting it to a single discharge, with contours or filling lines being discharged in such a way that only process-technical pauses occur between the individual discharges, i.e. these be discharged continuously, or additional breaks that are not necessary for the process are inserted, which lowers the temperature.
Vorzugsweise können variabel in Abhängigkeit vom Absorptionsspektrum des verwendeten Materials als Wärmequellen zur Temperaturerhöhung des Volumenelements an der diskreten Position eine oder mehrere thermische Strahlungsquellen, wie z. B. Infrarot-Strahler und/oder eine oder mehrere nichtthermische Strahlungsquellen, wie z. B. Laser, LED und/oder Gasentladungslampen eingesetzt werden. Da diese bewegbar und voneinander unabhängig an der jeweiligen Austragsdüse angeordnet sein können, können damit gezielt bestimmte Volumenelemente zusätzlich erwärmt werden, so z.B. das aktuelle Volumenelement 110 und/oder auch benachbarte Volumenelemente 120. Die Wahl der Strahlungsquelle kann sich dabei nach dem Absorptionsspektrum des verwendeten Kunststoffes richten.Preferably, depending on the absorption spectrum of the material used, one or more thermal radiation sources, such as e.g. B. infrared emitters and / or one or more non-thermal radiation sources such. As laser, LED and / or gas discharge lamps can be used. Since these can be arranged movably and independently of one another on the respective discharge nozzle, specific volume elements can be additionally heated in a targeted manner, e.g. the
In einer nächsten vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens kann zur Temperaturverminderung des Volumenelements 110 an der diskreten Position eine zusätzliche erzwungene Konvektion hervorgerufen werden, zu deren Erzeugung z. B. mindestens ein Lüfter und/oder mindestens eine steuerbare Wärmesenke wahlweise verwendet werden kann.In a next advantageous embodiment of the method, an additional forced convection can be caused to reduce the temperature of the
Bevorzugt können zur gezielten Anpassung der Eigenschaften des dreidimensionalen Gegenstands mindestens zwei Materialien mit unterschiedlichen Spezifika als fluide verfestigbare Materialien verwendet werden.Preferably, at least two materials with different specifics can be used as fluid solidifiable materials for the purposeful adjustment of the properties of the three-dimensional object.
Dazu kann zur gezielten Anpassung der Eigenschaften des dreidimensionalen Gegenstands 410 und zur Erhaltung dessen Formstabilität bei der Verwendung von mindestens zwei Materialien mit unterschiedlichen Spezifika, die nicht eine gleiche, notwendige Bauraumtemperatur vertragen, bei auf die niedrigere der beiden Temperaturen eingestellter Bauraumtemperatur, die Temperatur des Volumenelements 110, das die höhere Verschmelzungstemperatur benötigt, zu dessen Auftrag erhöht oder verringert werden, und/oder bei auf die höhere der beiden Temperaturen eingestellter Bauraumtemperatur die Temperatur des Volumenelements 110, das die niedrigere Verschmelzungstemperatur benötigt, zu dessen Auftrag verringert oder erhöht werden. Diese Schritte sind damit auch kombinierbar, d.h. es kann gezielt eine höhere Temperatur mit Erwärmung und/oder eine geringere Temperatur mit Kühlung auf ggf. auch benachbarten Volumenelemente angewandt werden. Bedarfsweise kann auch nach dem Ausbringen die Temperatur am Austragsort noch nachträglich erhöht oder verringert werden.For this purpose, in order to specifically adapt the properties of the three-
Gerade bei Multi-Material-Systemen können durch gezielte Einflussnahme auf die Randbedingungen und die Temperatur/en, sei es z.B. im Bauraum, am Träger oder im Material selbst, vorteilhaft Rahmenbedingungen geschaffen werden, die es gestatten, auch Materialien mit unterschiedlichen Spezifika zuverlässig miteinander zu verbinden bzw. zu vereinigen.Especially in multi-material systems, through targeted influencing of the boundary conditions and the temperature(s), be it for example in the installation space, on the carrier or in the material itself, advantageous framework conditions can be created that also allow materials with different specifics to be reliably combined with one another to connect or unite.
Vorzugsweise kann bei der Verwendung schwerer verarbeitbarer Materialien, insbesondere bei der Verwendung von Hochtemperaturmaterialien, wie z. B. PEI, PSU, PPSU, PEEK, PEAK, PEK oder PPS, deren notwendige Bauraumtemperatur nicht realisiert werden kann, die Temperatur des Volumenelements 110 zu dessen Auftrag erhöht werden.Preferably, when using more difficult to process materials, especially when using high-temperature materials such. B. PEI, PSU, PPSU, PEEK, PEAK, PEK or PPS, the necessary space temperature can not be realized, the temperature of the
In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens, welche die Diffusion der Volumenelemente 110, 120 zusätzlich begünstigt und/oder z. B. bei teilkristallinen Kunststoffen die Morphologieentwicklung beeinflusst bzw. gezielt steuert, können die zu einer Fülllinie und/oder Konturlinie ausgetragenen Volumenelemente 120 bzw. 150 nach vollständigem Austrag der Fülllinie und/oder Konturlinie erwärmt/gekühlt werden. Auf diese Weise können z.B. auch Spannungen im dreidimensionalen Gegenstand vermieden werden, da große Temperaturunterschiede im Gegenstand vermieden werden können.In another embodiment of the method, which additionally favors the diffusion of the
Grundsätzlich ist es zudem möglich, die mit Volumenelementen zu versehende Oberfläche eines den herzustellenden dreidimensionalen Gegenstand 410 tragenden Trägers 620 oder des dreidimensionalen Gegenstands 410 nicht nur beim Materialaustrag zu erwärmen bzw. zu kühlen, sondern auch ohne Materialaustrag. Ein derart temperierbarer Bauträger 620 kann wie eine Erweiterung der Bauraumbeheizung wirken (gleiche Temperatureinstellungen), um z.B. eine homogene Temperatursteuerung des dreidimensionalen Gegenstands 410 sicher zu stellen, indem z.B. von allen Bauteilseiten gleiche Temperaturbedingungen geschaffen werden. Dies trägt zur Vermeidung von Spannungen und damit zur Verzugsminimierung bei.In principle, it is also possible to heat or cool the surface of a
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens, durch die die mechanischen Eigenschaften des dreidimensionalen Gegenstands 410 vorhergesagt werden können, kann mittels einer Simulation eine Morphologieentwicklung des Gegenstands 410 aufgrund einer Temperaturentwicklung bestimmt werden.In a further advantageous embodiment of the method, by which the mechanical properties of the three-
So kann durch gezieltes Halten bzw. Erhöhen bzw. Absenken der Umgebungstemperatur die Morphologieentwicklung begünstigt werden. Auf die Umgebungstemperatur haben dabei insbesondere die Temperaturen im Bauraum 610 sowie die des vorzugsweise temperierbaren Trägers 620 Einfluss.The development of morphology can be favored by deliberately maintaining or increasing or decreasing the ambient temperature. In particular, the temperatures in the
Das Verfahren nach einem seiner Ausführungsformen kann zur Erzeugung eines dreidimensionalen Gegenstands 410 mittels additiver Fertigung durch Austragen von Volumenelementen 110, 120 bestimmter Größe pro Zeiteinheit mindestens eines fluiden verfestigbaren Materials mit einer bestimmten Temperatur an diskreten Positionen im dreidimensionalen Raum in einer durch das Verfahren steuerbaren Vorrichtung mit mindestens einer Austragsdüse 210 mindestens einer Austragseinheit 630 verwendet werden, wobei durch diese in einem Bauraum, entsprechend eines Modells des dreidimensionalen Gegenstands 410 Volumenelemente 110 ausgetragen werden.The method according to one of its embodiments can be used to produce a three-
Das Verfahren nach einem seiner Ausführungsformen kann weiterhin in einer Vorrichtung mit mindestens einer Austragsdüse 210 mindestens einer Austragseinheit 630 zur Erzeugung eines dreidimensionalen Gegenstands 410 mittels additiver Fertigung durch Austragen von Volumenelementen 110, 120 bestimmter Größe pro Zeiteinheit, vorzugsweise durch sequentielles Austragen, mindestens eines fluiden verfestigbaren Materials mit einer bestimmten Temperatur an diskreten Positionen im dreidimensionalen Raum ausgeführt werden, wobei diese in einem Bauraum, entsprechend des Modells des dreidimensionalen Gegenstands 410 Volumenelemente 110 austrägt. Die Vorrichtung weist mindestens eine Wärmequelle und mindestens eine Wärmesenke auf, die ihrerseits vorzugsweise im Bereich der Austragsdüse angeordnet werden können.The method according to one of its embodiments can also be used in a device with at least one
Ein weiteres Ausführungsbeispiel bildet ein Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode, der auf einem Computer lesbaren Medium gespeichert ist, zur Durchführung wenigstens eines der zuvor beschriebenen Verfahren unter Erreichung der genannten Vorteile.A further exemplary embodiment is a computer program product with a program code, which is stored on a computer-readable medium, for carrying out at least one of the methods described above while achieving the advantages mentioned.
- 110110
- aktuell ausgetragenes Volumenelementcurrently swept volume element
- 120120
- zuvor ausgetragenes Volumenelementpreviously swept volume element
- 130130
- erste Molekülkettefirst molecular chain
- 140140
- zweite Molekülkettesecond molecular chain
- 150150
- verbundenes Volumenelementconnected solid
- 160160
- miteinander verschlaufte Molekülkettenintertwined chains of molecules
- 210210
- Austragsdüsedischarge nozzle
- 220220
- TLuft T air
- 230230
- TUmgebung T environment
- 240240
- TBauteil T component
- 250250
- esit
- 260260
- Q̇Q̇ KK
- 270270
- Q̇Q̇ HSHS
- 280280
- Q̇Q̇ WW
- 290290
- dT/dtgerman/german
- 310310
- STL / CLISTL/CLI
- 320320
- Maschinencode erstellencreate machine code
- 330330
- Ausgangstemperaturfeld zu SchichtbeginnInitial temperature field at the beginning of the shift
- 340340
- Lösen der DifferentialgleichungSolving the differential equation
- 350350
- Überprüfen der RandbedingungenChecking the boundary conditions
- 360360
- Maschinencode modifizieren und erweiternModify and extend machine code
- 370370
- Maschinencode ausgebenOutput machine code
- 410410
- dreidimensionaler Gegenstandthree-dimensional object
- 510510
- Füllungfilling
- 520520
- Fülllinienbahnfilling line railway
- 530530
- Konturcontour
- 610610
- Baurauminstallation space
- 620620
- Träger des herzustellenden 3D-GegenstandsCarrier of the 3D object to be manufactured
- 630630
- Austragseinheitdischarge unit
- 640640
- Wärmequelleheat source
- 650650
- Wärmesenkeheat sink
Claims (16)
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
characterized,
that the procedure includes the following steps:
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Citations (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2015167896A1 (en) | 2014-05-01 | 2015-11-05 | BlueBox 3D, LLC | Increased inter-layer bonding in 3d printing |
WO2017210490A1 (en) | 2016-06-01 | 2017-12-07 | Arevo, Inc. | Localized heating to improve interlayer bonding in 3d printing |
DE102016120998A1 (en) | 2016-11-03 | 2018-05-03 | Universität Bremen | Method for simulation-based detection of thermally critical component areas and method for component-specific adaptation of local heat generation in additive manufacturing |
DE102017107364A1 (en) | 2017-04-06 | 2018-10-11 | Amsis Gmbh | Method for the additive production of a three-dimensional component and method for calculating a scanning strategy for the purpose of corresponding activation of a system for the additive production of a three-dimensional component |
DE102017107362A1 (en) | 2017-04-06 | 2018-10-11 | Amsis Gmbh | Method for the additive production of a three-dimensional component and method for calculating a scanning strategy for the purpose of corresponding activation of a system for the additive production of a three-dimensional component |
US20180314235A1 (en) | 2015-10-28 | 2018-11-01 | Siemens Product Lifecycle Management Software Inc. | System and method for optimizing tool paths based on thermal/structural simulations of a part being produced via a 3d-printer |
DE102018127678A1 (en) | 2017-11-07 | 2019-05-09 | Sigma Labs, Inc. | Methods and systems for quality feedback and quality control in additive manufacturing processes |
US10442118B2 (en) | 2015-09-29 | 2019-10-15 | Iowa State University Research Foundation, Inc. | Closed loop 3D printing |
US10710353B2 (en) | 2015-09-11 | 2020-07-14 | Arizona Board Of Regents On Behalf Of Arizona State University | Systems and methods for laser preheating in connection with fused deposition modeling |
US20200307174A1 (en) * | 2016-08-09 | 2020-10-01 | Arevo, Inc. | Systems and methods for structurally analyzing and printing parts |
JP2020183549A (en) * | 2019-04-26 | 2020-11-12 | 株式会社日立製作所 | Lamination molding condition generating method, lamination molding assistance software, and lamination molding assistance system |
-
2021
- 2021-12-22 DE DE102021134379.8A patent/DE102021134379A1/en active Pending
-
2022
- 2022-12-22 EP EP22216207.5A patent/EP4201648A1/en active Pending
Patent Citations (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2015167896A1 (en) | 2014-05-01 | 2015-11-05 | BlueBox 3D, LLC | Increased inter-layer bonding in 3d printing |
US10710353B2 (en) | 2015-09-11 | 2020-07-14 | Arizona Board Of Regents On Behalf Of Arizona State University | Systems and methods for laser preheating in connection with fused deposition modeling |
US10442118B2 (en) | 2015-09-29 | 2019-10-15 | Iowa State University Research Foundation, Inc. | Closed loop 3D printing |
US20180314235A1 (en) | 2015-10-28 | 2018-11-01 | Siemens Product Lifecycle Management Software Inc. | System and method for optimizing tool paths based on thermal/structural simulations of a part being produced via a 3d-printer |
WO2017210490A1 (en) | 2016-06-01 | 2017-12-07 | Arevo, Inc. | Localized heating to improve interlayer bonding in 3d printing |
US20200307174A1 (en) * | 2016-08-09 | 2020-10-01 | Arevo, Inc. | Systems and methods for structurally analyzing and printing parts |
DE102016120998A1 (en) | 2016-11-03 | 2018-05-03 | Universität Bremen | Method for simulation-based detection of thermally critical component areas and method for component-specific adaptation of local heat generation in additive manufacturing |
DE102017107364A1 (en) | 2017-04-06 | 2018-10-11 | Amsis Gmbh | Method for the additive production of a three-dimensional component and method for calculating a scanning strategy for the purpose of corresponding activation of a system for the additive production of a three-dimensional component |
DE102017107362A1 (en) | 2017-04-06 | 2018-10-11 | Amsis Gmbh | Method for the additive production of a three-dimensional component and method for calculating a scanning strategy for the purpose of corresponding activation of a system for the additive production of a three-dimensional component |
DE102018127678A1 (en) | 2017-11-07 | 2019-05-09 | Sigma Labs, Inc. | Methods and systems for quality feedback and quality control in additive manufacturing processes |
JP2020183549A (en) * | 2019-04-26 | 2020-11-12 | 株式会社日立製作所 | Lamination molding condition generating method, lamination molding assistance software, and lamination molding assistance system |
EP3960332A1 (en) | 2019-04-26 | 2022-03-02 | Hitachi, Ltd. | Lamination molding condition generating method, lamination molding assistance software, and lamination molding assistance system |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
SCHROEFFER, A.MACIUGA T.STRUEBIG, K.LUETH, T.: "A HIGH FIDELITY THERMAL MODEL FOR A NOVEL DROPLET-BASED ADDITIVE MANUFACTURING PROCESS FOR POLYMERS", PROCEEDINGS OF THE ASME 2019, 14TH INTERNATIONAL MANUFACTURING SCIENCE AND ENGINEERING CONFERENCE MSEC2019, 10 June 2019 (2019-06-10) |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
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